水平注漿加固與鋼套筒在盾構接收的應用分析

馮紅喜,李一博,張忠炎

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

在盾構施工技術中，盾構接收是主要的難點和風險點，存在地下水滲漏、突泥突水、地層沉陷等諸多風險，為規避這些風險，通常會對盾構洞門前的地層進行加固處理，以期降低盾構接收面臨的施工風險。常用的加固技術多為旋噴樁、三軸攪拌樁、凍結、化學注漿等，也存在多種加固技術組合應用的情況[1]。盾構進洞接收?？紤]環境風險、水文地質、場地條件等諸多因素，選擇直接破洞接收、鋼套筒接收、整體接收、箱體接收等技術[2-6]。

本文結合鄭州市某軌道交通區間盾構進洞實例，分析了三軸攪拌樁加固這一傳統加固技術的不足，提出利用WSS水平注漿+旋噴進行加固，并選用鋼套管接收技術，確保盾構穿越富水砂層順利接收，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某軌道交通區間隧道長度約1 500 m，埋深為10.79 m～21.73 m，內徑5.5 m，管片厚度0.35 m。采用兩臺φ6 470 mm的土壓平衡式盾構機，分別從始發站間隔2個月先后到達樂昌站大里程端接收井后解體、吊出。

1.1 水文地質

該區間穿越地層主要為②41層粉砂、②51層細砂。區間接收端隧道范圍內主要地層為②41粉砂層和②51細砂層，地下水穩定水位埋深約為8 m，屬于典型的富水砂層。

1.2 周邊環境

區間接收端即樂昌站(3層地下車站)-3層東端頭，位于西運河西南側河堤上，臨近西運河，河堤頂部寬度9 m～11 m。車站端頭距離河面49 m，接收端區間隧道底部埋深約27.6 m，隧道頂部埋深約21.4 m。河堤底部為斜坡狀，高差8 m～11 m。車站端頭埋設有1根埋深2 m～3 m的DN250中壓燃氣管，2根埋深13.5 m的DN650熱力管，經核實施工現場暫無管線改遷條件。

2 方案比選優化

2.1 初始方案

初始方案按照常規接收方案，采用φ850@600 mm三軸攪拌+φ800@550 mm三重管旋噴樁加固方案。三軸攪拌樁縱向加固長度為8.0 m，加固寬度為隧道輪廓線左右各3 m，豎向為隧道輪廓線上下各3 m，并在加固體和圍護結構之間采用一排φ800@550 mm三重管旋噴樁堵縫補強。

加固前，在加固區兩側布置至少6個降水井，以保證施工安全。

2.1.1 初始方案優點

方案較為常規，施工工藝成熟，加固范圍滿足盾構接收的要求，降水井的布置也考慮到地層高水位特點。

2.1.2 初始方案缺點

1)富水砂層地質，盾構直接破洞接收，施工風險高，存在較大可能性發生地表沉陷、漏水冒漿等工程風險。2)場地條件受限。端頭加固區距離河提及綠化帶較近，場地坡度較大，三軸攪拌施工無作業空間。3)端頭存在中壓燃氣管和熱力管，受限于西側運河存在，遷改困難，如執意遷改，項目工期加長較多，費用花銷較大。

2.2 優化方案

基于以上對施工場地、環境條件和富水砂層等的研判，考慮采用WSS(無收縮雙液注漿)注漿加固取代三軸攪拌樁加固，并輔以鋼套筒接收措施。

2.2.1 WSS注漿加固

1)加固原理。WSS注漿加固技術采用二重管鉆機鉆孔至預定深度后，用同步雙液注漿機注漿。先通過AB液(水玻璃與磷酸混合液)將土層顆粒間的水強迫擠出，再利用AC液(水玻璃與水泥漿混合液)使該土層黏結力、內摩擦角增大，從而使地層黏結強度及密實度增加，起到改良土層和加固作用；顆粒間隙中充滿了不流動而且固結的漿液后，使土層透水性降低，而形成相對隔水層。

2)加固特點。a.團結硬化時間容易調整，設計硬化時間長的注漿液也具有很高強度。b.滲透性良好，特別是對微細砂層的滲透性。c.地層中有流動水的情況下也具有很強的團結性能。d.漿液強度、硬化時間、滲透性能可根據現場實際需要任意調整。e.漿液不流失、團結后不收縮，硬化劑無毒，對地下水不會造成污染。f.注漿加固所用鉆機體型較小，移動方便，適用較困難的施工環境。g.注漿加固施工靈活，可垂直注漿，也可傾斜注漿，且從鉆孔至注漿完畢，可連續作業。

3)加固適用范圍。因WSS具有極強的加固地層并起到隔水層的作用，故其廣泛適用于隧道及地下工程，如盾構隧道及地下工程周圍土層改良盾構、隧道及地下工程掘進豎井洞口地層加固、地下管線保護、隧道通過地面建筑物基礎的跟蹤注漿等。

2.2.2 優化方案優點

1)采用WSS注漿加固與三軸攪拌加固相比較，其主要優勢如表1所示。

表1 WSS注漿加固工法與三軸攪拌樁加固工法比較

2)方案技術可靠先進，相對于初始方案，在解決場地條件受限問題的同時，加固效果更好。采用鋼套筒接收，能夠有效規避富水砂層條件下盾構接收過程中易發生的透水漏漿地表沉降等風險，提高工程安全系數。

3)變豎向加固為水平加固，場地占用面積大大減小，現場熱力和燃氣管線無需進行遷改，較大程度的降低工程費用和節省工期。

2.2.3 優化方案缺點

相較于初始方案，優化方案新增鋼套筒2套，施工流程加長，施工控制技術要求提高。

3 實踐應用

3.1 注漿加固

采用環形布置，標準設置4環，增設1環加強環。注漿孔直徑42 mm，孔與孔的間距為0.8 m，注漿凝結時間20 min～30 min，壓力控制0.5 MPa～2.0 MPa。注漿時先內圈后外圈，由上到下，其中外側兩環斜孔與水平孔角度為25°，注漿順序為先注水平孔，后注斜孔(見圖1)。

3.2 鋼套筒安裝

3.2.1 鋼套筒設計參數

接收鋼套筒主體部分總長9.6 m，直徑(內徑)6 500 mm，外徑6 840 mm。共分成三段，每段3 200 mm，每段又分為上下兩個半圓。筒體采用鋼板卷制而成，由1個過渡連接環、4個筒體、1個后端蓋、后部斜撐及左、右支撐等部分組成。

3.2.2 拼接

鋼套筒拼接在完成場地標高核準后，依次進行鋼套筒下半部和上半部分的連接；再進行鋼套筒過渡環與洞門鋼環連接，確保密封完好性，防止接收時出現漏水、漏沙。

3.2.3 支撐體系

套筒的管片拼接后，進行鋼套筒支撐體系安裝，包含套筒底部、中部、頂部以及后端部支撐。

3.2.4 密封性檢查

鋼套筒拼接和支撐體系完成后，開始向鋼套筒內注水進行密封性檢查，重點關注連接環與洞門環焊縫、環片接口處等薄弱地方。最后在鋼套筒底部60°范圍內澆筑15 cm厚的C40細石混凝土基座。

3.2.5 填料

上述流程完成后即可向鋼套筒內填料。填料可采用盾構掘進產生的渣土，但需增加膨潤土對渣土進行改良，使其具有一定的流動性，能夠在鋼套筒內緊密填充，又能保證盾構機進入鋼套筒時平穩掘進。

3.3 盾構接收

盾構接收的掘進分四個階段：第一階段：盾構機刀盤距加固區100 m推進至加固區外邊緣；第二階段：刀盤穿越加固區到達車站圍護結構；第三階段：刀盤磨樁作業破除洞門(接收端圍護結構為800 mm厚玻璃纖維筋地連墻)；第四階段：盾構機進入鋼套筒。

3.3.1 第一階段：刀盤距加固區100 m推進至加固區外邊緣

該階段應重點保持盾構機姿態調整，目標值為水平±15 mm，垂直+20 mm～+30 mm，推進過程嚴控速度和總推力，確保及時二次注漿，至加固區外邊緣停機檢修和確認盾構機姿態。

3.3.2 第二階段：刀盤穿越加固區到達車站圍護結構

從倒數15環開始向接收端方向進行二次注漿，漿液為水泥-水玻璃雙液漿，漿液凝固時間控制在1 min左右，以保證注漿效果。注漿采取從后向前，從底部往上部，隔1環注1環，往返反復注漿的方式，保證注漿飽滿到位。期間推進速度在10 mm/min～20 mm/min為宜，推力小于8 000 kN，土倉壓力0.6 bar～0.8 bar，在刀盤轉動過程中土倉內及刀盤前加注潤滑劑改良土體。

3.3.3 第三階段：盾構機刀盤磨樁作業破除洞門

利用盾構機刀盤進行磨樁作業，直至盾構機破除洞門實現隧道貫通。

本階段應控制推速小于5 mm/min，推力小于6 000 kN，盾構刀具貫入度不宜超過4 mm，采用碾壓、慢磨的切割方式使玻璃纖維筋及混凝土破碎；同時加強監測和現場巡視工作，并做好管片二次注漿以形成閉水環箍。

3.3.4 第四階段：盾構機進入鋼套筒

盾構破除洞門后即可正式進入鋼套筒，待最后一環管片拼裝后，盾構機停機及時將倒數第3環以后的管片進行二次注漿并形成閉水環箍。控制推速小于5 mm/min；推力小于4 000 kN，進入套筒時做好姿態控制，以實際測量的鋼套筒安裝中心線為準控制盾構機姿態，要求中心線偏差控制在±20 mm之內。同時做好盾尾后方管片及時二次注漿和洞門封堵注漿。

4 效果分析

4.1 實施效果

通過方案優化，采用WSS水平注漿加固+降水+鋼套筒接收技術，克服了場地空間受限、管線復雜難遷、富水砂層等諸多不利因素，實施過程中各項監測指標均在控制范圍之內，有效確保了盾構區間的順利接收。其施工速度快、安全性好、適用性強，為富水砂層地質盾構接收提供了有力的保障，取得了顯著的實施效果，具有較高的應用推廣價值。

4.2 經濟效果

優化方案相較于原方案，有效克服了管線遷改無路由和注漿加固場地不足的現實情況，合計節約造價35萬元，節省工期90 d，具體對比詳見表2。

5 結論與討論

1)本工程通過對盾構接收方案的優化，順利實現了富水砂層場地受限條件下的接收，其接收過程安全可靠，在縮短工期和控制造價上作用突出，證明WSS注漿加固+鋼套筒接 收這一組合技術的可靠性和先進性，為類似項目應用提供了經驗。

表2 方案效益對比表

2)WSS注漿加固技術具有加固方式靈活、施工機具方便和加固效果良好等特點，尤其適用于場地條件受限、管線復雜和富水砂層地質，在適用性和實用范圍上也具有較大的優勢，值得進一步探索在其他工程背景中的應用。

3)目前對加固方式研究較多，但進洞接收較少，應進一步研究加固技術和洞內接收組合方式的多樣性，以期適應不同工程類型、周邊環境和水文地質條件下的要求。